矩阵式制造系统发展现状及关键技术综述_杨开伟.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 002矩阵式制造系统发展现状及关键技术综述杨开伟1，童一飞1，杜小东2，史建成2(1 南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094)(2 中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都610036)摘要:首先分析了矩阵式制造系统的发展现状，包括研究机构、研究方向和产业应用;其次归纳了矩阵式制造系统的关键技术，包括生产特性机理、制造单元配置方法、布局规划与重构策略、生产调度和仿真优化;最后探讨了矩阵式制造系统未来的发展趋势，包括加强理论研究、注重设备和硬件发展、推进多尺度系统设计与规划研究、开展动态实时生产调度研究、开发矩阵式制造系统专用仿真软件和推动矩阵式制造系统的产业应用。关键词:矩阵式制造系统;生产特性;布局规划;生产调度;仿真优化中图分类号:TH181文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0007 06制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。在不同时期的不同需求驱动下，制造业引入了新的制造模式以应对经济挑战，响应社会需求1 2。20 世纪初期，在市场供不应求的情况下，传统的手工作坊式生产由于低效率和高成本逐渐被淘汰。1913 年 HenryFord 发明的流水线标志着制造业正式进入大规模生产模式阶段，通过专用制造系统(dedicated man-ufacturing system，DMS)可以快速、大批量、低成本地生产单一产品3。然而，随着市场供大于求和顾客需求的个性化，DMS 所代表的大规模生产已不能满足市场的需求。20 世纪 70 年代后期，计算机数控(computer numerical control，CNC)机床的发展使柔性制造系统(flexible manufacturing system，FMS)得以创建4。FMS 的高灵活性使得在同一制造系统内生产各种产品成为可能，至此制造业逐渐进入大规模定制模式阶段。临近 21 世纪，随着技术的不断发展和经济全球化的推进，制造企业的市场竞争日益激烈，逐渐增加的客户个性化需求导致产品种类增加、产品需求量波动以及产品生命周期缩短，制造模式开始由大规模定制向大规模个性定制转变，因此对制造系统提出了更高的要求5。1999 年，Koren 提出了可重构制造系统(reconfigurable manufacturing system，MS)，MS 的核心特征包括模块化、可集成性、可定制性、可转换性、可诊断性和可扩展性，它结合了DMS 的高生产量和 FMS 的高灵活性，同时避免了DMS 的不可扩展和 FMS 的高成本6 8。随后，在2014 年 Greschke 等9 提出了矩阵式制造系统(ma-trix structured manufacturing system，MMS)，MMS是一种基于生产单元的，灵活、面向流程、节拍时间独立的生产系统，它将每个工作站定义为一个子系统，采用矩阵结构进行工作站布局，工作站有冗余且可加工产品的多种工序，物流系统高度柔性，具有高利用率、高扩展性、高容错性和高灵活性等特点。目前，随着制造业进入大规模个性定制模式阶段，MMS 迎来了广袤的市场。本文在制造业转型升级的背景下，对 MMS 的发展现状及关键技术进行综合且全面的分析。首先分析 MMS 的发展现状，其次归纳 MMS 的关键技术，最后探讨 MMS 未来的发展趋势。1矩阵式制造系统发展现状矩阵式制造系统自提出到现在已历经 8 年的发展，取得了一定的成果。在 Web of Science 核心合集数据库和 EI(工程索引)数据库中，分别以主题为“matrix structured manufacturing systems”和“matrix production systems”并限制论文出版时间为“20142022 年”为检索条件，进行 MMS 领域的研究机构、研究方向和发表论文数的检索和选择，汇收稿日期:2023 03 30基金项目:国家重点研发计划(2022YFB3306101)作者简介:杨开伟(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为数字化制造，2624928942 qq com通讯作者:童一飞，男，教授，465819860 qq com72023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6总结果见表 1。可以看出，对 MMS 的研究主要集中在理论、系统架构、物料供应、生产调度和仿真等方面。国内外的研究机构主要有德国的布伦瑞克工业大学、卡尔斯鲁厄理工学院、斯图加特大学、马格德堡大学和匈牙利的米什科尔茨大学等，其中德国的布伦瑞克工业大学和卡尔斯鲁厄理工学院在MMS 领域的研究处于领先地位，且研究内容更加全面。表 1矩阵式制造系统领域研究机构序号研究机构名称国家研究方向论文数量1布伦瑞克工业大学德国矩阵式制造系统理论、设计、仿真、物料供应62卡尔斯鲁厄理工学院德国矩阵式制造系统效率提升、对比、生产调度、生产控制53斯图加特大学德国矩阵式制造系统架构研究、物料供应24马格德堡大学德国矩阵式制造系统架构研究、生产调度25米什科尔茨大学匈牙利矩阵式制造系统物料供应、生产调度26多特蒙德工业大学德国矩阵式制造系统物料供应17伊尔梅瑙工业大学德国矩阵式制造系统仿真18维也纳工业大学德国矩阵式制造系统理论1国内外应用 MMS 的部分企业见表 2。其中，KUKA 公司的智能生产中心采用的是集成了仓库、AGV 库、工装库、流转单元的矩阵生产运作模式，如图 1 所示10。表 2矩阵式制造系统应用企业序号公司或项目名称国家1KUKA 公司德国2奥迪汽车公司德国3卡尔斯鲁厄西门子工厂德国4博世力士乐公司德国5Arculus GmbH德国6深圳墨影科技公司中国图 1KUKA 矩阵式生产车间奥迪汽车公司在奥迪 8 的装配中使用了MMS，与以前的混合模型装配相比，效率估计提高了 20%11。博世力士乐公司的未来工厂对装配线进行模块化设计，利用移动机器对生产线进行重组以适应新的用途。Arculus GmbH 的模块化生产系统的特点是具有人工智能支持的软件和自主移动机器人平台的独立工作站12。墨影科技公司基于移动协作机器人相关核心技术，为行业提供矩阵式柔性制造产线无人值守整体解决方案，如图 2 所示。综上所述，MMS 仍处于发展阶段，相较于国外在该领域的研究和应用，国内仍有一定的差距。图 2矩阵式柔性制造产线无人值守整体解决方案2矩阵式制造系统关键技术研究现状MMS 作为一种高柔性和高扩展性的制造系统，可以很好地满足制造业大规模个性定制模式的需求，其关键技术主要包括生产特性机理、制造单元配置方法、布局规划与重构策略、生产调度和仿真优化等。2 1生产特性机理研究生产特性机理是 MMS 的理论基础，然而由于研究不深入，因此仍存在 MMS 科学模型缺失及运行特性不明晰等问题。针对上述问题，国外专家学者开展了一系列研究，如 Trierweiler 等13 针对矩阵式制造系统可变性对综合性能的影响缺乏评估手段的问题，基于系统论分别从系统、单元和工作站三个层级描述了矩阵式制造系统的功能视图和结构视图，并揭示了各层级系统元素、关系和功能的改变对系统能力、操作顺序和容量的定性影响;Hofmann 等14 为了研究操作柔性和路径柔性对矩阵生产综合性能的影响，给出了操作柔性和路径柔性的量化公式并基于仿真手段进行研究，结果表明路径柔性的初始增加会对生产系统造成负面影响，柔性的提高不会自动导致性能的提高，需要更复杂的生产控制决策方法来进行辅助，路径柔性对生产系统性能的积极影响大于操作柔性;Perwitz 等15 82023 年第 52 卷机械设计与制造工程为了评估柔性给矩阵生产系统带来的性能优势，提出了一种基于建模和动态仿真的方法来分析矩阵生产的性能优势，研究结果表明提高操作柔性可以增加矩阵生产系统的产量，如图 3 所示。图 3矩阵式制造系统不同柔性程度的产量虽然目前已有国外专家开展了对矩阵车间生产特性机理的研究，但取得的成果有限，仍缺乏对可重构性、可转换性、柔性、变动性和复杂性等相关指标的量化评估手段，缺乏对一般制造系统向矩阵车间转变的可行性评估方法，缺乏各种指标对矩阵生产综合性能影响的定量分析等，需要继续深入研究。2 2制造单元配置方法研究制造单元是 MMS 的关键组成元素之一，它是车间高利用率、高容错性、高柔性和高可重构性的重要保障。相较于其他制造单元，MMS 制造单元(如图 4 所示)具有更强的加工能力、可重构性和柔性，制造单元配置是否合理、科学将会对车间性能产生影响。图 4KUKA 矩阵式生产中的示范性标准单元在制造单元配置方法领域，国内外专家已取得了一定的成果，如冷晟等16 在产品多工艺路径的制造方式下，建立了以满足工件交货期为前提，制造费用最小化、利润最大化的资源选择与分配问题的数学模型，并进行了单元构建;陈雄兵17 建立了以总生产费用、单元间负荷偏差、跨单元次数为优化目标的多目标数学模型，并进行单元配置;Soli-manpur 等18 提出了同时优化零部件相似性、总的处理费用、总的处理时间和总的设备投资 4 个目标，并采用产生式多目标遗传算法来解决单元构建问题。目前对 MMS 制造单元配置方法的研究仍不深入，当前已有的单元配置方法并不一定能完全适应MMS 制造单元的配置需求，仍缺乏对 MMS 制造单元配置方法的针对性研究和实际应用。2 3布局规划与重构策略研究布局规划与重构策略是建设 MMS 车间的关键之一，科学、合理的布局规划方案可以减少材料、产品的运输距离和搬运次数，减少在制品数量，提高空间利用率、系统利用率和柔性等。相较于传统制造系统的布局规划(如图5 所示)，MMS 车间(如图6 所示)中的制造单元可以进行重构，可以对模块或组元进行重排、演变、更迭与更新，最终对产品或制造系统进行重新组态，快速实现生产流程的转变和系统功能的改变，以提高企业对环境变化和市场需求的响应速度。图 5车间典型布局图 6MMS 车间布局92023 年第 6 期杨开伟:矩阵式制造系统发展现状及关键技术综述国内外专家学者在布局规划与重构策略方面的研究取得了一定的成果。阎树田等19 根据车间设备布局最小物流费用原则，建立了车间单行和多行设备布局数学模型，采用遗传算法进行布局设计，并进行仿真验证;武志军等20 提出了制造系统重构的三种分类，并给出了制造系统重构的流程，如图 7 所示。基于模块化的设计，Irani 等21 为摩托罗拉工厂设计了一种布局，在这种布局中，连续的操作都在同一布局模块或相邻模块中执行，同时随着需求的变化，模块可以快速地删除与添加。图 7系统快速布局重构流程当前布局规划研究主要从设施布置的角度出发，强调布局优化后的效果改善与效率的提升，但往往忽略了优化、重构过程增加的系统重构成本、停产造成的生产损失以及对在制品缓存等的处理等。同时，重构布局时更多地以物料搬运距离、物流运输成本和设备的生产能力等为优化目标，对设备的可靠性、重构后制造系统的复杂程度、系统的响应性能以及加工工艺规程等缺乏考虑。2 4生产调度研究生产调度是矩阵车间运行管理中重要的一环，解决好调度问题才能有效利用企业资源，合理制定生产计划、物料配送计划，提高客户满意度，增强企业竞争力。国内外专家学者对生产调度问题进行了一系列研究，如 Stricker 等22 提出了一种基于蒙特卡洛树搜索的 MMS 多目标调度方法，该方法可以对调度问题进行自我调整，以提高解决方案的质量和缩短执行时间;Hofmann 等23 提出了一种基于深度Q 学习(deep Q learning)的方法来应对系统的动态事件;Lang 等24 针对 MMS 提供高柔性使得生产调度变得困难的问题，研究了深度 Q 网络(deepQ networks)在具有集成流程规划的灵活作业车间调度中的应用，如图 8 所示;Bnyai25 描述了矩阵式生产系